Κύκλος CNO: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Επόμενη διαφορά →
Περιεχόμενο που διαγράφηκε Περιεχόμενο που προστέθηκε
ΟπτικήΚώδικας wiki
Vcharmandaris (συζήτηση | συνεισφορές)
420 επεξεργασίες
Δημιουργήθηκε από μετάφραση της σελίδας "CNO cycle"
(Καμία διαφορά)

Έκδοση από την 13:39, 28 Νοεμβρίου 2020

Λογάριθμος της παραγόμενης ισχύος ανά μονάδα μάζας (ε) των διεργασιών σύντηξης πρωτονίου-πρωτονίου (pp), CNO και τριπλής-α σύντηξης σε διαφορετικές θερμοκρασίες (T). Η διακεκομμένη γραμμή δείχνει τη συνδυασμένη παραγωγή ενέργειας των διεργασιών pp και CNO μέσα σε ένα αστέρι.

Ο κύκλος CNO ( άνθρακα - αζώτου - οξυγόνου · μερικές φορές ονομάζεται κύκλος Bethe - Weizsäcker από τους Μπετε και Βάιτσεκερ ) είναι ένας από τα δύο γνωστούς δρόμους αντιδράσεων σύντηξης με τα οποία τα αστέρια μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο, το άλλο είναι η αλυσιδωτή αντίδραση πρωτονίων - πρωτονίων ( κύκλος pp), ο οποίος είναι πιο αποτελεσματικός στη θερμοκρασία που υπάρχει στο κέντρο του Ήλιου . Ο κύκλος CNO πιστεύουμε ότι κυριαρχεί σε αστέρια που υπερβαίνουν κατά 1,3 φορές τη μάζα του Ήλιος . [1]

Σε αντίθεση με την αντίδραση πρωτονίου-πρωτονίου, η οποία καταναλώνει όλα τα συστατικά της, ο κύκλος CNO είναι καταλυτικός κύκλος . Στον κύκλο CNO, τέσσερα πρωτόνια συντήκονται, χρησιμοποιώντας ως καταλύτες ισότομα του άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου, καθένας από τους οποίους καταναλώνεται σε ένα βήμα του κύκλου CNO, αλλά επαναδημιουργείται σε μεταγενέστερο στάδιο. Το τελικό προϊόν είναι ένα σωματίδιο άλφα (δηλαδή ένας σταθερός πυρήνας ηλίου ), δύο ποζιτρόνια και δύο νετρίνα ηλεκτρονίων .

Υπάρχουν διάφοροι εναλλακτικοί δρόμοι και καταλύτες που εμπλέκονται στους κύκλους CNO, όλοι αυτοί οι κύκλοι έχουν το ίδιο καθαρό αποτέλεσμα:

4 1 </br> 1 ώρα </br> + 2Error no symbol defined</br> Error no symbol defined</br>
 →  4 </br> 4 Αυτός </br> + 2Error no symbol defined</br> Error no symbol defined</br> + 2Error no symbol defined</br> Error no symbol defined</br> + 2Error no symbol defined</br> Error no symbol defined</br> Error no symbol defined + 3Error no symbol defined</br> Error no symbol defined</br> + 24.7 MeV



</br>
 →  4 </br> 4 Αυτός </br> + 2Error no symbol defined</br> Error no symbol defined</br> Error no symbol defined + 7Error no symbol defined</br> Error no symbol defined</br> + 26.7 MeV

Τα ποζιτρόνια εξαϋλώνονται σχεδόν αμέσως μια που αντιδρούν με ηλεκτρόνια, απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή ακτίνων γάμμα . Τα νετρίνα διαφεύγουν από το αστέρι μεταφέροντας κάποια από την ενέργεια. [2] Ένας πυρήνας μετατρέπεται σε ισότοπα άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου μέσω ενός αριθμού μετασχηματισμών σε έναν συνεχιζόμενο βρόχο.

Παρουσίαση του κύκλου CNO-I

Η αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου είναι πιο εμφανής στα αστέρια με μάζα ίση ή μικρότερη του Ήλιου. Αυτή η διαφορά οφείλεται σε διαφορές εξάρτησης από τη θερμοκρασία μεταξύ των δύο αντιδράσεων. Η αντίδραση αλυσίδας pp εξαρτάται από τη θερμοκρασία εις την τέταρτη δύναμη (εpp~T4) και ξεκινά σε θερμοκρασίες περίπου 4x106 K [3] (4 megakelvin), καθιστώντας την κυρίαρχη πηγή ενέργειας σε μικρότερα αστέρια. Μια αυτοσυντηρούμενη αλυσίδα CNO ξεκινά από περίπου 15x106 K, αλλά η ενεργειακή του παραγωγή αυξάνεται πολύ πιο γρήγορα με αυξανόμενες θερμοκρασίες (εCNO~T19.9)[1] έτσι ώστε να γίνει η κυρίαρχη πηγή ενέργειας περίπου 17x106 K . [4]

Ο ήλιος έχει θερμοκρασία πυρήνα περίπου 15.7x106 K, και μόνο 1.7% από τους πυρήνες ηλίου-4 (42Ηe) που παράγονται στον Ήλιο δημιουργούνται από τον κύκλο CNO.

Η διαδικασία CNO-I προτάθηκε ανεξάρτητα από τον Carl von Weizsäcker [5] [6] και Hans Bethe [7] [8] στα τέλη της δεκαετίας του 1930.

Οι πρώτες αναφορές για την πειραματική ανίχνευση των νετρίνων που παράγονται από τον κύκλο CNO στον Ήλιο δημοσιεύθηκαν το 2020. Αυτή ήταν επίσης η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση ότι ο Ήλιος είχε κύκλο CNO, ότι το προτεινόμενο μέγεθος του κύκλου ήταν ακριβές και ότι οι υπολογισμοί των von Weizsäcker και Bethe ήταν σωστοί. [9] [10]

Κύκλος άνθρακα-αζώτου-οξυγόνου-1

Κρύοι κύκλοι CNO

Υπό τις τυπικές συνθήκες που υπάρχουν στα αστέρια, η καταλυτική καύση υδρογόνου από τους κύκλους CNO περιορίζεται από τη δέσμευση πρωτονίων. Πιο συγκεκριμένα, η χρονική κλίμακα για τη διάσπαση βήτα των ραδιενεργών πυρήνων που παράγονται είναι ταχύτερη από τη χρονική διάρκεια της σύντηξης. Λόγω των μεγάλων χρονικών κλιμάκων, οι κρύοι κύκλοι CNO μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο αργά, επιτρέποντάς τους να τροφοδοτούν αστέρια σε κατάσταση ισορροπίας για πολλά χρόνια.

CNO-I

Ο πρώτος καταλυτικός κύκλος που προτάθηκε για τη μετατροπή του υδρογόνου σε ήλιο ονομαζόταν αρχικά κύκλος άνθρακα-αζώτου (κύκλος CN), που επίσης αναφέρεται ως κύκλος Bethe-Weizsäcker προς τιμήν του ανεξάρτητου έργου του Καρλ Φρίντριχ φον Βάιτσεκερ το 1937-38 [5] [6] και του Χανς Μπέτε . Οι δημοσιεύσεις του Μπέτε το 1939 για τον κύκλο CN [7] [8] βασίστηκαν σε τρεις προηγούμενες εργασίες που είχαν γραφτεί σε συνεργασία με τους Robert Bacher και Milton Stanley Livingston [11] [12] [13] και τα οποία έγιναν ανεπίσημαγνωστά ως η "Βίβλος του Μπέτε" . Θεωρήθηκε το πλέον καθιερωμένο έργο στην πυρηνική φυσική για πολλά χρόνια και ήταν ένας σημαντικός λόγος για την απονομή του βραβείου Νόμπελ Φυσικής του 1967 . [14] Οι αρχικοί υπολογισμοί του Μπέτε έδειξαν ότι ο κύκλος CN ήταν η κύρια πηγή ενέργειας του Ήλιου. Αυτό το συμπέρασμα προέκυψε από κάτι που σήμερα γνωρίζουμε ως λανθασμένη θέση: ότι η αφθονία του αζώτου στον ήλιο είναι περίπου 10%, όταν στην πραγματικότητα είναι λιγότερο από το 0.5%. Ο κύκλος CN, που ονομάζεται έτσι καθώς δεν περιέχει σταθερό ισότοπο οξυγόνου περιλαμβάνει τον ακόλουθο κύκλο μετασχηματισμών: [15]

12 6C   →   13 7N   →   13 6C   →   14 7N   →   15 8O   →   15 7N   →   12 6C

Αυτός ο κύκλος θεωρείται πλέον ως το πρώτο μέρος μιας μεγαλύτερης διαδικασίας, του κύκλου CNO, και οι κύριες αντιδράσεις σε αυτό το μέρος του κύκλου (CNO-I) είναι: [15]

όπου ο πυρήνας άνθρακα-12 που χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη αντίδραση αναγεννάται στην τελευταία αντίδραση. Μετά τα δύο ποζιτρόνια που εκπέμπονται εξαϋλώνονται με δύο ηλεκτρόνια του περιβάλλοντος παράγοντας επιπλέον 2,04 MeV, και η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται σε έναν κύκλο είναι 26,73 MeV. Σε ορισμένα κείμενα, οι συγγραφείς συμπεριλαμβάνουν λανθασμένα την ενέργεια αφανισμού ποζιτρονίων με την τιμή Q της β-διάσπασης και στη συνέχεια παραμελούν την ίση ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από τον αφανισμό, οδηγώντας σε πιθανή σύγχυση. Όλες οι τιμές υπολογίζονται με αναφορά στην τιμή της ατομικής μάζας του 2003. [16]

Η περιοριστική (πιο αργή) αντίδραση στον κύκλο CNO-I είναι η δέσμευση πρωτονίων στο άζωτο-14 (147Ν). Το 2006 αυτή μετρήθηκε πειραματικά σε αστρικές ενέργειες, διορθώνοντας την εκτιμώμενη ηλικία των σφαιρικών σμηνών κατά περίπου 1 δισεκατομμύριο χρόνια. [17]

Τα νετρίνα που εκπέμπονται στη διάσπαση βήτα θα έχουν ένα φάσμα ενεργειών, επειδή παρόλο που η ορμή διατηρείται, η ορμή μπορεί να μοιραστεί με οποιονδήποτε τρόπο μεταξύ του ποζιτρονίου και του νετρίνου, όπου το ένα είτε εκπέμπεται σε ηρεμία με το άλλο να λαμβάνει όλη την ενέργεια, ή με οποιαδήποτε ενδιάμεση επιλογή, αρκεί να χρησιμοποιείται όλη η ενέργεια από την τιμή Q. Η συνολική ορμή που λαμβάνει το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο δεν είναι αρκετά μεγάλη για να προκαλέσει μια σημαντική ανάκρουση του πολύ βαρύτερου άλλου πυρήνα της αντίδρασης [α] και ως εκ τούτου, τη συμβολή του στην κινητική ενέργεια των προϊόντων, για την ακρίβεια των τιμών που δίνονται εδώ, μπορεί να παραμεληθεί. Έτσι, το νετρίνο που εκπέμπεται κατά τη διάσπαση του αζώτου-13 μπορεί να έχει ενέργεια από μηδέν έως 1.20 MeV και το νετρίνο που εκπέμπεται κατά τη διάσπαση του οξυγόνου-15 μπορεί να έχει ενέργεια από μηδέν έως 1.73 MeV. Κατά μέσο όρο, περίπου 1.7 MeV της συνολικής ενεργειακής παραγωγής αφαιρείται από νετρίνα για κάθε βρόχο του κύκλου, αφήνοντας περίπου 25 MeV διαθέσιμα για παραγωγή φωτεινότητας . [18]

CNO-II

Σε ένα μικρό κλάδο της παραπάνω αντίδρασης, που εμφανίζεται στο κέντρο του Ήλιου για περίπου 0,04% του χρόνου, η τελική αντίδραση η οποία περιλαμβάνει άζωτο-15 (157Ν) και φαίνεται παραπάνω δεν παράγει άνθρακα-12 και ένα σωματίδιο άλφα, αλλά αντ 'αυτού παράγει οξυγόνο-16 και ένα φωτόνιο και συνεχίζει

15 7N → 16 8O → 17 9F → 17 8O → 14 7N → 15 8O → 15 7N

Με μεγαλύτερη λεπτομέρεια:

Όπως ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο που εμπλέκονται στον κύριο κλάδο, το φθόριο που παράγεται στον δευτερεύοντα κλάδο είναι απλώς ένα ενδιάμεσο προϊόν - σε σταθερή κατάσταση, δεν συσσωρεύεται στο αστέρι.

CNO-III

Αυτός ο ασθενής κλάδος είναι σημαντικός μόνο για αστέρια πολύ μεγάλης μάζας. Οι αντιδράσεις ξεκινούν όταν μία από τις αντιδράσεις στο CNO-II έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργηθεί φθόριο-18 και ακτίνες-γ αντί για άζωτο-14 και σωματίδιο άλφα και συνεχίζεται

17 8O → 18 9F → 18 8O → 15 7N → 16 8O → 17 9F → 17 8O

Λεπτομερώς:

CNO-IV

Ένα πρωτόνιο αντιδρά με έναν πυρήνα προκαλώντας απελευθέρωση ενός σωματιδίου άλφα .

Όπως και στον κλάδο CNO-III, αυτός ο κλάδος είναι επίσης σημαντικός μόνο στα αστέρια μεγάλης μάζας. Οι αντιδράσεις ξεκινούν όταν μία από τις αντιδράσεις στο CNO-III έχει ως αποτέλεσμα φθόριο-19 και ακτίνες-γ αντί για άζωτο-15 και σωματίδιο άλφα και συνεχίζεται:

18

</br>

18 Ο

</br> →

19

</br>

19 ΣΤ

</br> →

16

</br>

16 Ο

</br> →

17

</br>

17 ΣΤ

</br> →

17

</br>

17 Ο

</br> →

18

</br>

18 ΣΤ

</br> →

18

</br>

18 Ο

</br>

Λεπτομερώς:

Σε ορισμένες περιπτώσεις το φθόριο-18 (189F) μπορεί να συνδυαστεί με έναν πυρήνα ηλίου για να ξεκινήσει ένας κύκλος νατρίου-νέον. [19]

Ζεστοί κύκλοι CNO

Υπό συνθήκες υψηλότερης θερμοκρασίας και πίεσης, όπως εκείνες που παρατηρούνται σε εκρήξεις καινοφανών και ακτίνων Χ, ο ρυθμός σύλληψης πρωτονίων υπερβαίνει τον ρυθμό της διάσπασης β, ωθώντας το κάψιμο στη γραμμή στάγδην πρωτονίων . Η ουσιώδης ιδέα είναι ότι ένα ραδιενεργό είδος θα συλλάβει ένα πρωτόνιο προτού μπορέσει να αποσυντεθεί βήτα, ανοίγοντας νέες οδούς πυρηνικής καύσης που διαφορετικά δεν είναι προσβάσιμες. Λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών, αυτοί οι καταλυτικοί κύκλοι αναφέρονται συνήθως ως οι καυτοί κύκλοι CNO. Επειδή οι χρονικές κλίμακες περιορίζονται από διασπάσεις beta αντί για καταγραφές πρωτονίων, ονομάζονται επίσης κύκλοι CNO περιορισμένης έκδοσης beta. 

  1. ↑ 1,0 1,1 Salaris, Maurizio· Cassisi, Santi (2005). Evolution of Stars and Stellar Populations. John Wiley and Sons. σελίδες 119–121. ISBN 0-470-09220-3. 
  2. ↑ Agostini, M.; Altenmüller, K.; Appel, S.; Atroshchenko, V.; Bagdasarian, Z.; Basilico, D.; Bellini, G.; Benziger, J. και άλλοι. (25 June 2020). «First Direct Experimental Evidenceof CNO neutrinos» (στα αγγλικά). arXiv:2006.15115 [hep-ex]. 
  3. ↑ Reid, I. Neill· Hawley, Suzanne L. (2005). «The structure, formation, and evolution of low-mass stars and brown dwarfs – Energy generation». New Light on Dark Stars: Red dwarfs, low-mass stars, brown dwarfs. Springer-Praxis Books in Astrophysics and Astronomy (2nd έκδοση). Springer Science & Business Media. σελίδες 108–111. ISBN 3-540-25124-3. 
  4. ↑ Schuler, S.C.; King, J.R.; The, L.-S. (2009). «Stellar Nucleosynthesis in the Hyades open cluster». The Astrophysical Journal 701 (1): 837–849. doi:10.1088/0004-637X/701/1/837. Bibcode: 2009ApJ...701..837S. 
  5. ↑ 5,0 5,1 von Weizsäcker, Carl F. (1937). «Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne I [On transformations of elements in the interiors of stars I]». Physikalische Zeitschrift 38: 176–191. 
  6. ↑ 6,0 6,1 von Weizsäcker, Carl F. (1938). «Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne II [On transformations of elements in the interiors of stars II]». Physikalische Zeitschrift 39: 633–646. 
  7. ↑ 7,0 7,1 Bethe, Hans A. (1939). «Energy Production in Stars». Physical Review 55 (1): 541–7. doi:10.1103/PhysRev.55.103. PMID 17835673. Bibcode: 1939PhRv...55..103B. 
  8. ↑ 8,0 8,1 Bethe, Hans A. (1939). «Energy production in stars». Physical Review 55 (5): 434–456. doi:10.1103/PhysRev.55.434. PMID 17835673. Bibcode: 1939PhRv...55..434B. 
  9. ↑ Agostini, M.; Altenmüller, K.; Appel, S.; Atroshchenko, V.; Bagdasarian, Z.; Basilico, D.; Bellini, G.; Benziger, J. και άλλοι. (25 November 2020). «Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun» (στα αγγλικά). Nature 587 (7835): 577–582. doi:10.1038/s41586-020-2934-0. ISSN 1476-4687. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2934-0. «This result therefore paves the way towards a direct measurement of the solar metallicity using CNO neutrinos. Our findings quantify the relative contribution of CNO fusion in the Sun to be of the order of 1 per cent;». 
  10. ↑ «Neutrinos yield first experimental evidence of catalyzed fusion dominant in many stars». phys.org (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 26 Νοεμβρίου 2020. Pocar points out, "Confirmation of CNO burning in our sun, where it operates at only one percent, reinforces our confidence that we understand how stars work." 
  11. ↑ Bethe, Hans A.; Bacher, Robert (1936). «Nuclear Physics, A: Stationary states of nuclei». Reviews of Modern Physics 8 (2): 82–229. doi:10.1103/RevModPhys.8.82. Bibcode: 1936RvMP....8...82B. https://authors.library.caltech.edu/51288/1/RevModPhys.8.82.pdf. 
  12. ↑ Bethe, Hans A. (1937). «Nuclear Physics, B: Nuclear dynamics, theoretical». Reviews of Modern Physics 9 (2): 69–244. doi:10.1103/RevModPhys.9.69. Bibcode: 1937RvMP....9...69B. 
  13. ↑ Bethe, Hans A.; Livingston, Milton S. (1937). «Nuclear Physics, C: Nuclear Dynamics, Experimental». Reviews of Modern Physics 9 (2): 245–390. doi:10.1103/RevModPhys.9.245. Bibcode: 1937RvMP....9..245L. 
  14. ↑ Bardi, Jason Socrates (January 23, 2008). «Landmarks: What makes the stars shine?». Physical Review Focus 21 (3). doi:10.1103/physrevfocus.21.3. https://physics.aps.org/story/v21/st3. Ανακτήθηκε στις November 26, 2018. 
  15. ↑ 15,0 15,1 Krane, Kenneth S. (1988). Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons. σελ. 537. ISBN 0-471-80553-X. 
  16. ↑ Wapstra, Aaldert· Audi, Georges (18 Νοεμβρίου 2003). «The 2003 Atomic Mass Evaluation». Atomic Mass Data Center. Ανακτήθηκε στις 25 Οκτωβρίου 2011. 
  17. ↑ Lemut, A.; Bemmerer, D.; Confortola, F.; Bonetti, R.; Broggini, C.; Corvisiero, P. και άλλοι. (2006). «First measurement of the 14N(p,γ)15O cross section down to 70 keV». Physics Letters B 634 (5–6): 483–487. doi:10.1016/j.physletb.2006.02.021. Bibcode: 2006PhLB..634..483L. 
  18. ↑ Scheffler, Helmut· Elsässer, Hans (1990). Die Physik der Sterne und der Sonne. Bibliographisches Institut (Mannheim, Wien, Zürich). ISBN 3-411-14172-7. 
  19. ↑ https://core.ac.uk/download/pdf/31144835.pdf


Σφάλμα αναφοράς: Υπάρχουν ετικέτες <ref> για κάποια ομάδα με το όνομα «lower-greek», αλλά δεν βρέθηκε καμία αντίστοιχη ετικέτα <references group="lower-greek"/>

Ανακτήθηκε από "https://el.wikipedia.org/w/index.php?title=Κύκλος_CNO&oldid=8548528"